Hoje, dispositivos biestáveis ​​elétricos são a base da eletrônica digital, servindo como blocos de construção de interruptores, portas lógicas e memórias em sistemas de computador. Contudo, a largura de banda desses computadores eletrônicos é limitada pelo atraso do sinal de constantes de tempo importantes para as operações lógicas eletrônicas. Na tentativa de mitigar esses problemas, cientistas consideraram o desenvolvimento de um computador digital óptico, e uma equipe chegou ao ponto de demonstrar a biestabilidade ótica e elétrica para chaveamento em um único transistor.

Esta semana, no Journal of Applied Physics , uma equipe de pesquisa da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign apresenta suas descobertas sobre a biestabilidade ótica e elétrica de um único transistor operado em temperatura ambiente.

Antes deste trabalho, poços quânticos foram incorporados perto do coletor na base de um transistor bipolar de heterojunção III-V, resultando em uma vida útil de recombinação espontânea radiativa fortemente reduzida do dispositivo. A largura de banda de modulação da corrente do laser está relacionada aos tempos de vida de recombinação da radiação do buraco do elétron, tempo de vida dos fótons e densidade de fótons na cavidade.

Em um método patenteado por dois dos autores do artigo, muitas vezes referida como ideia de Feng e Holonyak, a absorção óptica pode ser ainda mais intensificada pela intensidade do fóton coerente da cavidade do laser do transistor. Usando a propriedade única de modulação de tunelamento auxiliado por fótons intracavidade, os pesquisadores conseguiram estabelecer uma base de modulação direta de voltagem a laser e comutação em altas velocidades de gigahertz.

Os pesquisadores descobriram que as bistabilidades elétricas e ópticas do laser do transistor são controláveis ​​pela corrente de base e pela voltagem do coletor. Descobriu-se que a troca de corrente se deve ao deslocamento da operação da base do transistor entre o processo de recombinação elétron-buraco estimulado e espontâneo no poço quântico-base.

De acordo com Milton Feng, do grupo de pesquisa, esta foi a primeira vez que isso foi feito.

"Colocamos um transistor dentro de uma cavidade óptica, e a cavidade óptica controla a densidade de fótons no sistema. Então, se eu usar tunelamento para absorver o fóton, e então o poço quântico para gerar o fóton, então posso basicamente ajustar a tensão e controlar a corrente da comutação elétrica e óptica entre o estado coerente e incoerente da luz, e entre recombinação estimulada e espontânea para a corrente, "Feng disse.

Em comparação com as investigações anteriores, que continha histerese óptica em cavidades contendo meios de ganho dispersivos e absortivos não lineares, os princípios de operação como processos físicos e mecanismos operacionais em bistabilidades eletro-ópticas de laser transistorizado são consideravelmente diferentes. Nesse caso, diferentes caminhos de comutação entre estados de energia ótica e elétrica resultam em diferentes limiares de tensão de coletor de entrada, resultando nesta diferença considerável no método e nos resultados.

"Por causa das diferenças de caminho de comutação entre densidades de fótons de cavidade coerentes e incoerentes reagindo com modulação de tensão de coletor via tunelamento assistido por fóton intra-cavidade Feng-Holonyak resultando na diferença de tensão de coletor em operações de switch-UP e switch-DOWN, a biestabilidade a laser do transistor é realizável, controlável e utilizável, "Feng disse.

Os pesquisadores acreditam que as operações de histerese eletro-óptica e biestabilidade na forma compacta do laser transistor podem ser utilizadas para portas lógicas ópticas de alta velocidade e aplicações de flip-flop.

"Espero que o novo domínio de pesquisa seja estendido da eletrônica - de corpos em eletrônica que transportam em estado sólido - para o domínio eletrônico-óptico em um circuito integrado, que será o grande avanço para a futura geração de transferência de dados em alta velocidade, "Feng disse.